涂层对硬质合金基体强度的影响
2020-2-4 来源：江西江钨硬质合金有限公司 作者：江启军，李颖，何海明
摘要: 在实际切削中发现涂层刀具的耐冲击性能与硬质合金基体的设计预期存在一定差异。通过试验研究得出了不同粒度涂层和非涂层硬质合金刀具的强度变化规律，发现在 500℃ － 1100℃ 的涂层温度下，硬质合金基体的强度均有不同程度的下降，为涂层刀具基体材质的设计提供了参考。
关键词: 强度; 涂层; 刀具; 耐冲击
1 、引言
硬质合金强度是表征产品韧性、抗冲击能力的关键指标之一。在断续切削、不均匀切削( 包括带黑皮加工) 等金属切削加工领域，刀具断裂或崩碎是最主要的失效方式，因此对硬质合金基体强度提出了极高要求。
在现代切削加工中，涂层技术的引入使刀具的耐高温、耐磨、耐腐蚀等性能都得到了很大提升，达到了高速加工的要求。但由于涂层刀具在高速加工中的耐冲击能力不理想，国内大部分工况恶劣的粗加工领域还在使用切削效率非常低的非涂层刀具。经过分析和研究认为，涂层过程中硬质合金基体长时间处于 500℃ － 1100℃，对基体的强度会产生不利影响，使涂层刀具的耐冲击性能下降。
2 、试验方案与试验结果
试验选用 6 种 K 系列涂层硬质合金基体牌号，基体 WC 粒 度 分 别 为 0． 4μm、0． 6μm、0． 8μm、1. 5μm、3． 0μm 和 4． 0μm，其主要成分为 WC + Co，含有微量添加剂。每个牌号选用同一批原料，分别压制 5． 25mm × 6． 5mm × 20mm 的强度试样条 30根，同炉同舟皿一次烧结出来。取 10 根磨制试样进行强度检测，取未磨毛坯试样条 10 根进行 CVD 涂层、10 根进行 PVD 涂层。对涂层后的试样条分别进行磨样，并检测硬质合金基体的强度，从而研究涂层后各种粒度的硬质合金基体强度的变化。
图 1 为不同粒度基体在涂层前后强度的变化情况。除去试验中磨样、人为操作等偶然因素外，由图1 可知，强度变化趋势明显，同一种基体牌号烧结后强度 ＞ PVD 涂层后强度 ＞ CVD 涂层后强度。
图 1 不同粒度的基体强度变化
图 2 是试样条在烧结态、PVD 涂层态和 CVD 涂层态的平均强度变化趋势。由图 2 可知，试样经过PVD 和 CVD 涂层后强度呈下降趋势，且 CVD 涂层比 PVD 涂层降低得更多。
图 2 不同晶粒度的基体涂层前后的平均抗弯强度变化
图 3 是 PVD 涂层态和 CVD 涂层态试样条相比烧结态试样条的强度下降幅度对比。由图可知: WC 粒度 0． 4μm 的牌号，PVD 涂层态强度下降约 11. 6% ，CVD 涂层态强度下降 16． 3% ; 其它硬质合金基体牌号 PVD 涂层态强度下降在 6% － 8% 之间，CVD 涂层态强度下降了 10% － 12% 。随着粒度的加粗，PVD 涂层后的强度降低幅度先减少后又增加，CVD涂层后的强度降低幅度则随着晶粒度的加粗而降低。
图 3 不同晶粒度基体涂层后的强度下降幅度对比
通过以上试验发现，经过 PVD 涂层和 CVD 涂层后，同一种硬质合金基体牌号的涂层刀具强度比非涂层刀具降低约 10% 。在设计涂层刀具基体牌号时要充分考虑这一强度降幅，才能保证刀具在实际切削过程中的抗冲击性达到基体设计的要求。
3 、结语
在高速、高效加工中，不仅要求刀具具有耐高温、高耐磨和抗冲击等性能，还要求获得最佳的表面加工质量，刀具涂层工艺是满足当前金属切削加工需求的基本途径之一。本文的研究结果揭示了涂层对硬质合金刀具基体强度的影响规律，对设计硬质合金涂层刀具基体材质、探索涂层温度下硬质合金基体材质变化都有一定帮助。
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